Бесконтактная синхронная машина, имеющая гладкий якорь с беспазовой активной зоной и постоянные магниты на роторе

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам с бесконтактной коммутацией, осуществляемой с помощью полупроводниковых приборов, и может быть использовано для электроприводов, например, в системах электродвижения морских судов, подводных лодок, в тяговых приводах электроподвижных наземных транспортных средств, подъемных устройствах, приводах насосов, вентиляторов, электроинструмента и т.д. при повышенных требованиях к уровню пульсаций момента, вибраций, шумов и с возможностью питания двигателей от типовых мостовых преобразователей, которые выпускаются серийно. Технический результат от использования изобретения состоит в улучшении эксплуатационных показателей и, в частности, достижении высокого КПД и надежности, в упрощении конструкции машины в целом, а также в обеспечении уникально низкоуровневых виброшумовых характеристик электропривода на базе предлагаемой бесконтактной синхронной машины за счет использования статора, представляющего собой неферромагнитный цилиндр, сформированный из медных обмоток беспазовой конструкции и залитых специальным составом с высокой теплопроводностью, который помещен между цилиндрическими поверхностями внутренней и наружной частей ротора, выполненного из ферромагнитного материала. 1 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам с бесконтактной коммутацией, осуществляемой с помощью полупроводниковых приборов, и может быть использовано для электроприводов, например, в системах электродвижения морских судов, подводных лодок, в тяговых приводах электроподвижных наземных транспортных средств, подъемных устройствах, приводах насосов, вентиляторов, электроинструмента и т.д. при повышенных требованиях к уровню пульсаций момента, вибраций, шумов и с возможностью питания двигателей от типовых мостовых преобразователей, которые выпускаются серийно.

Известен электродвигатель-колесо с постоянными магнитами на внутренней цилиндрической поверхности ротора, с пазовой конструкцией обмотки якоря и изменяемым продольным расположением ротора относительно статора (Международный патент WO/2005/053139 BRUSHLESS PERMANENT MAGNET WHEEL MOTOR WITH VARIABLE AXIAL ROTOR/STATOR ALIGNMENT от 09.06.2005, МПК 8 H02K 11/00 (2006.01), H02K 21/00 (2006.01), H02K 21/12 (2006.01), H02K 21/22 (2006.01), H02K 7/12 (2006.01), H02K 16/00 (2006.01), DURA-TRAC MOTORS, INC. [US/US]).

Недостатками данного двигателя являются:

- в связи с пазовой конструкцией обмотки якоря - значительные пульсации вращающего момента и относительно высокий уровень вибрации и шумов, сопровождающих работу двигателя;

- в связи с наличием встроенного сервопривода механизма изменения продольного расположения ротора относительно статора - достаточно высокая сложность конструкции двигателя в целом.

Наиболее близким по технической сущности заявляемому решению является модульный вентильный электромеханический преобразователь (Патент РФ №2310966 МОДУЛЬНЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (МВЭП) от 03.05.2006, МПК 8 H02K 16/00 (2006.01), H02K 21/12 (2006.01), Настюшин Валентин Иванович (RU).

Недостатками преобразователя по прототипу является:

- наличие потерь энергии в магнитной системе двигателя, снижающей КПД;

- консольное расположение ротора на валу двигателя, ограничивающее максимальную скорость вращения;

- значительные пульсации вращающего момента и относительно высокий уровень вибрации и шумов, сопровождающих работу двигателя, связанные с пазовой конструкцией якоря.

Задачей изобретения является создание бесконтактной синхронной машины, обладающей минимальными потерями энергии в магнитной системе, практическим отсутствием пульсаций вращающего момента на валу и соответственно низким уровнем вибрации и шумов, сопровождающих ее работу.

Технический результат изобретения выражается в улучшении эксплуатационных показателей и, в частности, в достижении высокого КПД и надежности, в упрощении конструкции машины в целом, а также в обеспечении уникально низкоуровневых виброшумовых характеристик разнообразных объектов и устройств (морские и наземные транспортные средства, подъемники и лифты, насосы и вентиляторы, электроинструмент и т.д.), в которых используются электроприводы на базе предлагаемой бесконтактной синхронной машины.

Поставленная задача достигается тем, что в бесконтактной синхронной машине, содержащей полый цилиндрический статор с m-фазными обмотками, наружную относительно статора часть полого цилиндрического ротора с постоянными магнитами, расположенными со стороны внутренней цилиндрической поверхности этой части ротора и образующими магнитную систему с радиальным зазором над m-фазными обмотками статора, статор представляет собой неферромагнитный цилиндр, сформированный из медных обмоток беспазовой конструкции, залитых специальным составом с высокой теплопроводностью, ротор имеет внутреннюю относительно статора часть полого цилиндрического ротора с радиальным зазором под m-фазными обмотками статора, установленную двумя своими основаниями на валу двигателя и составляющую единое целое с наружной частью полого цилиндрического ротора, причем наружная и внутренняя части ротора выполнены из ферромагнитного материала.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

Согласно чертежу бесконтактная синхронная машина содержит полый цилиндрический статор 1 с m-фазными обмотками, наружную относительно статора 1 часть полого цилиндрического ротора 2 с постоянными магнитами 4, расположенными со стороны внутренней цилиндрической поверхности этой части ротора 2 и образующими магнитную систему с радиальным зазором над m-фазными обмотками статора 1, причем статор 1 представляет собой неферромагнитный цилиндр, сформированный из медных обмоток беспазовой конструкции, залитых специальным составом с высокой теплопроводностью, а ротор имеет внутреннюю относительно статора часть полого цилиндрического ротора 3 с радиальным зазором под m-фазными обмотками статора 1, установленную двумя своими основаниями на валу двигателя и составляющую единое целое с наружной частью полого цилиндрического ротора 2, причем наружная 2 и внутренняя 3 части ротора выполнены из ферромагнитного материала.

Предлагаемая бесконтактная синхронная машина имеет следующие достоинства:

1. Статор не содержит ферромагнитных материалов. В связи с этим отсутствуют любые пульсации магнитных сил из-за перемещения отдельных частей магнитопровода.

2. Двигатель легко балансируется, так как исключена возможность дисбаланса из-за неравномерности воздушного зазора и разной намагниченности постоянных магнитов.

3. В связи с отсутствием переменной составляющей поля в ферромагнитных частях двигателя потери в стали практически отсутствуют. Отсюда более высокий КПД.

4. Конструкция ротора с постоянными магнитами значительно проще, чем содержащая обмотки.

5. Предложенный вариант бесконтактной электрической машины не содержит коллектора, усложняющего эксплуатацию и снижающего надежность.

6. Так как отсутствуют любые пульсации магнитных сил из-за перемещения отдельных частей магнитопровода, двигатель обладает низкоуровневыми виброшумовыми характеристиками.

7. Предложенный вариант электрической машины, используемый в качестве двигателя, может питаться как от двухзвенного преобразователя (понизитель-повыситель DC/DC плюс инвертор), так и непосредственно от инвертора с ШИМ-регулятором.

8. Предложенная бесконтактная синхронная машина может быть реализована как в одно-, так и в многомодульном исполнении.

9. Возможно расположение постоянных магнитов не только на наружной 2, но и на внутренней 3 части ротора одновременно. Это увеличивает сложность конструкции и изготовления, но улучшает удельные показатели электрической машины.

Предлагаемая машина работает следующим образом.

При поступлении на m-фазную обмотку статора 1 питающих напряжений переменного тока на роторе 2-3 и соответственно выходном валу машины, используемой в качестве двигателя, возникает вращающий момент. В зависимости от значений питающих напряжения и частоты тока, формируемых преобразователем напряжения, двигатель разгоняется, выходит на номинальный режим работы, работает с допустимой перегрузкой и т.д.

Промышленная применимость изобретения определяется тем, что предлагаемая машина может быть изготовлен в соответствии с приведенным описанием и чертежом на базе известных комплектующих изделий и технологического оборудования.

Таким образом, предлагаемая машина может быть использована в различных областях (военная техника, энергетика, горнодобывающая и нефтеперерабатывающая промышленности, жилищно-коммунальное хозяйство и т.д.) - везде, где требуется использование электроприводов при повышенных требованиях к уровню пульсаций момента, вибраций, шумов и экономии электроэнергии.

На основании вышеизложенного и по результатам проведенного нами патентно-информационного поиска считаем, что предлагаемая машина отвечает критериям «Новизна», «Изобретательский уровень» и может быть защищена патентом Российской Федерации на изобретение.

Бесконтактная синхронная машина, содержащая полый цилиндрический статор с m-фазными обмотками, наружную относительно статора часть полого цилиндрического ротора с постоянными магнитами, расположенными со стороны внутренней цилиндрической поверхности этой части ротора и образующие магнитную систему с радиальным зазором над m-фазными обмотками статора, отличающаяся тем, что статор представляет собой неферромагнитный цилиндр, сформированный из медных обмоток беспазовой конструкции, залитых специальным составом с высокой теплопроводностью, ротор имеет внутреннюю относительно статора часть полого цилиндрического ротора с радиальным зазором под m-фазными обмотками статора, установленную двумя своими основаниями на валу двигателя и составляющую единое целое с наружной частью полого цилиндрического ротора, причем наружная и внутренняя части ротора выполнены из ферромагнитного материала.